大断面铜包铝棒坯立式连铸成形工艺参数对连铸复合过程影响的数值模拟.pdfVIP

第27 卷第3 期 中国有色金属学报 2017 年3 月 Volume 27 Number 3 The Chinese Journal of Nonferrous Metals March 20 17 DOI ：10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.03.009 大断面铜包铝棒坯立式连铸成形工艺参数对 连铸复合过程影响的数值模拟 刘新华，付新彤，付华栋，谢建新 (北京科技大学 材料先进制备技术教育部重点实验室 新材料技术研究院，北京 100083) 摘 要：以100 mm ×100 mm 大断面铜包铝棒坯为对象，建立棒坯连铸复合成形的数值模型，确定模型的边界条 件，并通过设计的实验验证数值模型边界条件的准确性。基于验证的边界条件，采用 ProCast 软件对铜包铝棒坯 立式连铸复合成形过程的稳态温度场进行数值模拟，得到了各工艺参数对连铸过程的影响规律，给出了工艺参数 的调控策略和合理范围。结果表明，制备100 mm ×100 mm 大断面铜包铝铸坯的合理工艺参数范围为：在保持铜 液温度1250 ℃的条件下，铝液铸造温度为760~790 ℃；一冷水流量为1600~2000 L/h；二冷水流量为900~1100 L/h ； 二冷水距结晶器石墨套出口距离为20 mm ；拉坯速度为80~100 mm/min 。 关键词：铜包铝；立式连铸复合成形；温度场；数值模拟 文章编号：1004-0609(2017)-03-0514-11 中图分类号：TG156.2 文献标志码：A 铜包铝(Copper clad aluminum, CCA)复合材料是 合成形涉及的工艺参数较多，传热过程复杂，且铝芯 在铝芯表层包覆一层纯铜的高性能层状复合导体材 完全处于铜包覆层之中，难以对铝芯的凝固位置和温 料，兼具纯铜电导率高、易连接、耐腐蚀，以及纯铝 度场进行直接监测，成为研究铜铝复合过程和工业生 密度低、成本低等优点，在电力、电器、冶金、交通、 产过程控制的主要难题。采用数值模拟的方法可以建 建筑等领域具有广阔应用前景[1−3] 。按用途，铜包铝复 立连铸凝固过程的温度场模型，分析温度场变化规律， 合导体可分为断面尺寸较小的线材(包括圆线和扁线) 研究工艺参数对连铸过程的影响，把握铝芯的凝固行 和断面尺寸较大的扁排，其中扁排类产品用量约占一 为，从而为连铸复合过程的精确控制提供指导。 半，市场潜在需求高达每年 100 万t 左右。然而，目 本文作者以断面尺寸为100 mm ×100 mm 的较大 前用于生产铜包铝复合线材的主要工艺，如铝线镀铜 断面铜包铝棒坯立式连铸成形为对象，采用ProCAST [4] [5] [6] 法 、轧制压接法 、包覆焊接法 等，均难以生产大 有限元软件对不同工艺参数下棒坯凝固的温度场进行 断面高性能的铜包铝扁排产品。静液挤压法[7]虽然可 模拟，得到铜包铝棒坯在连铸稳定状态下固液界面的 以生产较大断面的扁排产品，但由于工艺流程长、设 位置，分析工艺参数对大断面铜包铝棒坯连铸过程的 备投资大、生产成本高，难以大规模推广应用于纯铜 影响规律，给出合理的调控策略和工艺参数范围。 扁排的替代，仅限于对减重有重要要求的少量高端产 品上应用。 针对上述问题，本文作者等[8−11]发明了连铸直接 1 模型及模拟方法 成形制备铜包铝复合材料的新工艺，具有流程短、生 产成本低、界面结合强度高等优点，为大断面铜包铝 1.1 物理与几何模型 复合材料的规模生产和应用开辟了重要途径。连铸直 铜包铝立式连铸直接成形工艺原理[14]如图 1 所 接复合成形新工艺的关键是精确控